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生老病死衣食住行每个节点上 生物技术都能起更好的作用
作者:   来源:深圳晚报   发布者:尹海华   日期:2017-08-18   今日/总浏览:1/1460

华大基因研究院副院长刘心

BT时代一个很重要的前提是我们的生物技术要发展到像IT技术一样,真正能影响到人类生活的方方面面。我们的生老病死、衣食住行每个节点上,生物技术都能起一个更好的作用。它的到来会有很多我们无法用现有的方式想象的改变。再往前倒带十年,那时候的人们也很难想到今天互联网对人们生活方式的颠覆。

▲深圳国家基因库,工作人员在进行测序操作。除署名外本版图片均由深圳晚报记者 陈玉 摄

不久前闭幕的国际植物学大会将华大集团的植物基因研究推向台前。美国植物生物学家约瑟夫·埃克简短的一句“华大集团已在研究多种植物RNA”被多家媒体重点报道,华大基因研究院承建运营的深圳国家基因库也迎来了参观的高潮。

大会上,华大基因研究院还联合其他植物学家启动了“万种植物基因组计划”。这个新词很容易让人回想起二十多年前完成的“人类基因组计划”,该计划与“曼哈顿”原子弹计划、“阿波罗”登月计划并称为20世纪人类自然科学史上三大工程。

人类对植物的关注似乎迎来了一个史无前例的高峰,人与植物的关系也从未如此紧密、充满着丰盈的时空延展性与想象力。我们试图了解,这种变化背后的原因有哪些,再往前发展,这种变化将给我们的生活乃至人类命运带来怎样的变革。

从华大基因研究院副院长刘心的经历与观察,我们或许能对上述问题有所释疑。

采访在深圳国家基因库进行。那是我国唯一一个获批筹建的国家基因库,无论是从外观设计,还是置身其中的人的气质,它都与创业咖啡厅有着某种相似之处,时尚,忙碌,热情洋溢。采访当天,刘心穿着简单的蓝白条T恤衫,一如他介绍科研的方式,质朴平实。

植物研究迎来风口

深圳晚报:植物学大会在深圳举办让我们全新认识了植物的存在,我们从没有如此细致地关注过植物与人类生活乃至命运的关联,大会似乎将人们对植物的关注推向了一个风口?

刘心:是的,科学界很早就开始研究植物,但没有像现在这样把研究逐渐往人类生活渗透。

关注植物对人类生活和未来命运的意义。这是因为,人类社会发展到了一定阶段,我们发现必须要更加善待植物资源,保护它们并且更好地利用它们。

全球有30多万种植物,现在利用基因技术可以更加高效地开展大规模的植物研究。技术的进步推动了人们对植物的了解以及进一步的发现与利用。

深圳晚报:结合个人的经历,您是如何感受到人与植物关系的这种变化的?

刘心:2005年,我在北京大学生命科学院读本科,开始接触植物研究,主要是植物分子生物学研究。2009年,我在华大集团和香港中文大学的联合培养下攻读博士学位、接触基因数据研究,我发现它提供了与分子生物学完全不一样的研究思路。传统的分子生物学研究一般是假设导向,研究一定程度上会受事先假设的限制。而基因研究不做任何预设,基于基因数据做研究。

另外,传统研究没有基因数据支持,效率相对低,而基因研究一定程度上做了基因数据采集和分析后就能直接面向应用,提升了科研成果转化的效率。

以杂交育种为例。传统的杂交要靠眼睛观察,杂交完后,看后代中哪个是我们需要的,选出来,再次育种,肉眼的观察很容易受经验丰富程度和外界环境因素的干扰。而如果采用基因技术,先给小米做基因测序,找到基因与性状之间的关系,基于这些信息就能直接做精准有效的选择和配种,将育种周期由传统杂交的5年缩短到2年之内,产量也由传统杂交的亩产两三百公斤增加到七八百公斤。这在我们自己育种生产的华大小米中已经得到了验证。

小米只是一个简单的举例,这背后的动因是在自然资源有限的情况下,人类开始思考怎样用更环保的方式解决生存问题。我们刚联合全球植物学家启动了“万种植物基因组计划”,计划5年内测序出一万种有代表性植物的参考基因组,从而推进对生物多样性、进化、生态保护及各种重要基础科研和农业应用转化问题的研究。基因技术充分发展之前,如此庞大规模的基因组研究是根本无法开展的。

另外,我们也与一些植物资源平台合作,运用基因技术保存和有效开发利用这些植物资源。深圳的国家兰科中心、仙湖植物园、云南的瑞丽植物园都是我们的合作对象。

深圳晚报:今年的植物学大会多次提到了植物基因研究这个主题,在以前,基因研究更多地聚焦人的问题,现在似乎逐渐拓展到关注植物。

刘心:是的,真正大规模的植物基因数据产出至少是2009年以后的事情。原来基因测序技术很贵,大家当然关注人本身比较多。现在从整个科研趋势来看,越来越多的科学研究者把基因技术作为科研的基础,几乎每项植物研究都不同程度地受益于基因技术的进步,它对整个植物科研的发展起到了很好的推动作用。

基因库里的“过去”与“未来”

深圳晚报:深圳国家基因库是做植物基因研究的支撑平台,这个平台是如何运作的?

刘心:这是我国唯一一个获批筹建的国家基因库,去年9月投入运营,华大基因研究院是它的承建和运营单位。目前它的规划数据超越了国际三大基因数据中心,并增加了样本库和活体库,填补了我国长期缺少国家级基因数据中心的空白。

对于它的运作,先说一个寓意。你可以看到摆在我们大厅中央的猛犸象雕塑,猛犸象在约4000年前就灭绝了,但它们的遗体在东西伯利亚冰冷干燥的环境中保存了下来,于2012年被人们发现。俄罗斯科学家领导的国际小组发现了猛犸象完好无损的包括毛发、骨髓在内的细胞,提供了猛犸象较为完整的遗传信息,从而为猛犸象的复制提供了希望。

自然环境的偶然性让猛犸象的遗体保存了下来,这才有了今天人们对历史的想象。而深圳基因库要做的是让人们不仅可以科学地了解过去,还能有目的性地筹划未来。深圳国家基因库在有目的性地保存对未来可能有用的生物资源,比如很多濒危的植物,从基因角度把它们保存起来,以后哪怕它们从自然界消失了,但是我们存有它的样品。

目前,深圳国家基因库建设有样本库、数据库、活体库和基因测序平台、基因合成编辑平台。在样本库里,我们保存有几千份植物种子,包含有八百多种物种。这个数量不算多,但我们才刚起步,这是个好开端。有了样品,我们再通过基因测序平台读取它们的基因信息。我们使用的是自主研发的测序仪,一天可以产出10个TB的基因数据量。我们一般使用GB做单位,乘以一千倍,就是TB。如此庞大的数据如何存储、以备后续分析计算就要倚赖数据库。我们的数据库有60个PB(TB乘以一千倍)的存储容量,达到国际领先水平。

通过对基因进行测序,我们能得到不同物种的基因信息,基于这些数据信息,我们可以做进一步的改良,这就是基因的合成与编辑。

深圳晚报:从全球看,中国的植物基因研究处于什么样的水平?

刘心:中国在植物研究和植物基因研究上都有优势。中国植物资源丰富,研究起步也早,今年的植物学大会首先介绍了《中国植物志》的编撰,中国对植物历史的研究比较深入。深圳国家基因库产出的植物基因数据对全球的贡献很大,我们之前做过粗略的估计,基本上达到了70%。华大集团的基因测序技术也走在世界前列。

科学的产业思维

深圳晚报:华大集团在植物基因研究上进入了怎样一个阶段?

刘心:我觉得我们联合发起“万种植物基因组计划”算是一个里程碑,我们从原来单个的植物物种研究,发展到了可以做更广泛、更大规模的基因研究。

同时,我们还在某些方面做更深入的应用研究。除了小米(谷子去皮后称为小米),我们还在研究一些重要的植物生理学现象对人类的帮助。比如,自然界中很多植物是可以固氮的,它们通过跟微生物合作,把氮气转化为生长所需的氨基酸。但像水稻这样的农作物不能固氮,需要人工施氮肥才能保证产量,而氮肥会造成污染。我们想从基因组角度弄清楚,植物固氮的机制是什么,为什么有的植物能固氮,而有的不能。如果水稻也能跟微生物合作来固氮,我们就不用施氮肥了,或者施生物氮肥。

深圳晚报:小米是不是华大集团在植物基因研究领域探索经济价值的一次尝试?

刘心:对。在这之前,我们给世界范围内3000份的水稻资源测过基因,也合作测过马铃薯、花生、黄瓜,在这些合作中华大集团只是起基础性作用。我们觉得需要发力,做一个例子出来,小米就是我们选择的一个例子,在这里我们做了更多下游的工作。

在没有水稻前,小米是中国的主粮,抗旱耐瘠、水利用效率高、适应性广、化肥农药用量少,是典型的环境友好型作物。每生产1克干物质,谷子(去皮后称为小米)需水257g,玉米需水369g、小麦510g,而水稻则更高。小米营养丰富且各种成分平衡,它包含的食用粗纤维是大米的5倍。综合起来,我们认为它是一个很好的可以作为示范的品种。

深圳晚报:目前来看,华大小米推出的市场反馈如何?这种精准种植模式在国外复制进展如何,产生了怎样的经济和社会效益?

刘心:这个可能要综合不同因素来考虑,比如南方很少有人吃小米,大家吃不惯。但几百年前,小米是中国的主食,这个习惯或许能慢慢改回来。至少,我们在自己的食堂增设了很多小米的菜式,员工和外宾的接受度都很高。而且,之前小米很难普及的原因之一是产量太低,现在通过基因技术精准育种、种植大幅度提高了产量。

我们在新疆、河南都有谷子种植基地,也在尝试把小米的思路应用到其他物种上,往中亚五国、澳大利亚等地复制。这些合作目前还处于前期科研合作阶段。

深圳晚报:你个人对华大集团身份的认同,是偏科学家,还是企业家?

刘心:我从事的工作偏科研多一点,因为我在研究院,关于产业,我们有专门的事业部负责。但我觉得对科研和产业都是认同的,它们应该更好地结合起来。从长远看,如果没有产业思维,科研不会有太好的发力。

BT时代的想象

深圳晚报:怎样从通俗意义上理解“万种植物基因组计划”完成后对未来的意义?

刘心:可以这么理解,截至目前,世界范围内才测出了100多种植物的参考基因组,这100种与整个植物界的30多万种相比很少,但已经产生了很高的效益。如果我们从100种扩大到10000种,能很大范围地涵盖各种类型的植物。就像水稻参考基因组的完成对水稻研究和产业发展发挥的巨大助推力一样,未来这10000种植物都能被我们更加深入地了解和应用。

深圳晚报:更宏大的是美国加州大学戴维斯分校基因组科学家和华大集团生物学家联合倡议的“地球生物基因组计划”,着重对包括所有植物、动物和单细胞生物在内的真核生物群体进行测序,若40亿资金到位后,有望在十年内完成。地球生物基因组计划的完成对人类而言将意味着什么?

刘心:这个计划可以这样类比,原来我们只知道少数生物的基因究竟是什么样,如果这个计划完成,相当于完成了地球生物这本大书的框架,至于里面的知识,我们可以再按图索骥,一步步深入发掘。就像现在互联网连接了人类生活的方方面面一样,未来,人类对地球生物各方面的了解都能通过这个计划串联起来,这将是一笔十分丰厚的收获。

深圳晚报:有观点认为,随着生物科技发展,未来人类很有可能进入BT时代(生物科技时代)。您怎么理解BT时代?它的到来将意味着什么?

刘心:现在为什么叫IT时代,是IT技术不断发展、渗透到了生活方方面面,让我们衣食住行跟原来比有颠覆性改变。BT时代一个很重要的前提是我们的生物技术要发展到像IT技术一样,真正能影响到人类生活的方方面面。

BT时代意味着是我们的生老病死、衣食住行每个节点上,生物技术都能起一个更好的作用。它的到来会有很多我们无法用现有的方式想象的改变。再往前倒带十年,那时候的人们也很难想到今天互联网对人们生活方式的颠覆。

IT时代已经为我们奠定了一个很好的基础,基因技术就是跟IT技术的很好的结合,目前整个生物科技正在朝一个很好的方向发展。

植物研究是否需要伦理边界

深圳晚报:您觉得,植物基因研究和应用需要考虑生命伦理,或者说科学伦理吗?

刘心:任何研究和技术都是中性的,值得思考的是怎么运用。植物不像人,存在隐私,所以我觉得,对植物研究一定程度上没有特别需要注意的生命伦理。

但我们需要考虑植物研究及其应用对自然生态本身的影响。你的研究怎么样才是帮助它,而不是破坏它,应该把握好平衡,将研究、应用对现有植物资源的影响降到最低。

深圳晚报:从长远意义看,研究植物是为人类未来的生存和发展做准备,但也有观点认为,是人类一系列的活动打破了自然原有的平衡,所以如今以及将来,需要借助科技这样的手段再造利于人类生存的新的平衡。您如何看待这样的观点?

刘心:都是人类社会在做这些事情,它肯定有一定的倾向性。现在我们能把生活在这个环境中的其他生物认识得更清楚,一定程度上把这些资源保护起来,这也是我们的一种进步。

深圳晚报:科学界对于从事人类基因研究和编辑设立了相应的科学伦理与监管基本原则,比如生殖(可遗传)基因编辑是限制级研究,必须在严格的监管与规范下进行,目前对植物基因的研究和编辑是否缺少这样的框架和讨论?

刘心:目前科学界能够讲出来的共识,是在对植物保护的基础上加以利用,但在具体操作层面可能确实缺少讨论。如何保护,特别是涉及国家与国家之间、不同地区之间,的确需要建立起来更多的规矩。

但在有这样一个共识的情况下,总的方向、至少说在多数研究应用上应该还是会朝着好的方向发展,但同时也应该想好一些风险点。

深圳晚报:相对于人类基因研究,对于植物基因研究的规则和共识是不是更难建立?

刘心:我觉得,随着植物研究的深入,大家对于怎么样利用好植物会更清楚。这次植物学大会的主题是“关注植物,关注未来”,相当于科学界已经有了一个基本的共识,要更多地关注植物、重视植物,为我们的未来保护它们、利用它们。

7月29日在深圳发布的《植物科学深圳宣言》也是对整个植物科学界的倡议,呼吁在全球植物科学家群体与不断变化的社会之间建立起更紧密的联系,探索真正做到关注植物、关注未来。

科学辞典

“BT时代”

BT生物技术(biotechnology)时代。基因领域的革命或将从根本上改变人类的命运。许多专家预言,到2020年,人类将迎来生物经济的崭新时代。

“万种植物基因组计划”

万种植物基因组计划由华大基因研究院联合多位植物学领域权威专家共同进行,在深圳国家基因库正式启动。

该计划是地球生物基因组计划(Earth BioGenome Project, EBP)的重要部分。科学家们计划在五年内通过全球的广泛合作、全面的资源搜集以及系统的科学设计和研究,对1万种植物的基因组进行测序,以推进生物多样性、进化、生态保护及各种重要基础科研和农业应用转化问题的研究。



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